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新一代KATRIN高精密分压器,电压高达65KV(上篇)

作者:开步电子 发表日期:2017-01-11 11:56:50 浏览量:613


摘要:KATRIN(卡尔斯鲁厄氚中微子)实验旨在通过氚β衰变的电子谱测定电子反中微子的质量,灵敏度200meV。这将由MAC-E-Filter型减速谱仪完成。要达到期望的灵敏度,-18.6kv的减速电势稳定性需要在至少两个月的时间内保证3ppm的精度。由于这种级别的精度无法通过商业级设备达到,于是我们研制了2ppm级的高压分压器,参考了德国联邦物理技术研究院(PTB)关于高达100KV直流电压标准分压器的理念。要达到这种高精度级别,需要考虑多方面的影响。最重要的两点是电阻的温度系数和漏电流,漏电流一般由绝缘不佳和电晕放电产生。关于分压器的第二个改进来自于对高精密电阻的选用和对分压器的散热设计。对电阻性能的提升得益于与制造商的合作。在PTB所做的设计提升,电阻的调研与选用,内置的探针和校准都将在本文中做以汇报。最终仪器达到了两年时间内低至0.1ppm/月的稳定性。


1 简介


KATRIN(卡尔斯鲁厄氚中微子)实验[1]旨在通过氚β衰变的电子谱测定电子反中微子的质量,灵敏度200meV。因此需要使用MAC-E-Filter(带有静电过滤的磁绝热准直)型[2]静电减速谱仪。要达到期望的灵敏度,-18.6kv的减速电势稳定性需要在至少两个月的时间内保证3ppm的精度1。千伏级的电压一般不直接测量,而是通过高压分压器分成低电压之后测量。核物理学与粒子物理学中高压高精密应用有很多,其中包括之前在美因茨(Mainz)和特罗伊茨克(Troitsk)进行的中微子质量实验中用到的MAC-E-Filter型减速谱仪,用到这一仪器的还有最近的KATRIN实验和像aSpect或WITCH [5, 6]一样的高精密弱衰减研究。物理学其他有关精密高压的应用包括储存环节的电子冷却[7],共线激光光谱中的离子加速电压(例[8]),大型漂移室或时间投影室(例[9])。对技术应用方面来说,高压设备也非常重要。最近,一款用于高压直流(HVDC)电能输送系统的高精密高压分压器也被研制出来。[10]。分压器的基本概念是两个电阻串联连接。对于高压分压器来说高阻值的电阻RHV通常由许多电阻Ri串联组成,这样可以达到所要求的最大电压(见图1)。高压分压器通常通过分压比描述:



图1.高压分压器的简明释义。高阻电阻由一些电阻Ri,i = 1...n串联组成。输入电压Uin输出电压Uout的比例由方程所得的分压比来描述。(1.1)


高压分压器的总阻值需要在各种参数中协调,从而得出最优方案。为了降低分压器的功率耗散从而降低电阻所受温度的影响,总阻值越高越好。另一方面RLV的阻值也需要相应增加,以满足所需的分压比,但因此根据Un,eff = √(4RkBT∆f),∆f升高电压噪声也会随之升高。其次,流过分压器的电流也必须明显高于漏电流。高精密高压分压器通常使用约100μA的电流。所以我们需要在高的总阻值和低的RLV中做一个平衡。


商业级分压器无法满足KATRIN实验的要求,因为商业级的分压器无法在10-4到10-5的分压比下达到足够低的温度系数和足够小的长期漂移。只有FLUKE 752A“参考分压器”可以通过自校准程序达到0.5ppm的精度,但是它最高电压只能达到1KV。因此唯一的办法只有自制一个分压设备。但是要达到预想的精度和稳定性,有很多难点需要解决。其中一点是电阻的热性能,因为电阻都有一个温度系数(TCR)。TCR是用阻值随温度产生的绝对变化∂R/∂T或相对值∂R/∂T R-1来表示的。所有电阻的不平衡变化都会直接影响分压器的分压比。为了抵消电阻温度系数的影响,我们需要根据其具体特性选择合适的电阻,并将它们合理连接,以便使整体的温度系数接近于零。在此基础上,我们还可以加装一个温度稳定系统,进一步提升分压器的性能。电阻选择方案将在第三部分详细展开3。


PTB(Physikalisch Technische Bundesanstalt,德国国家计量院)则在他们的100KV标准直流分压器MT100上使用了一种不同的方法[16]。这个分压器由101个精选的线绕电阻组成,每个阻值为10MΩ。与Park的方法相同,这个分压器的电阻也经过了温度系数的筛选,而且其温度系数更低。电阻被分为五个部分,呈螺旋状排列。每个部分由铜电极分开,以将电场限制在分压器内部。与Park的设计不同的是,电阻本身并没有单独用防护罩封闭,而是每20个一组用铜电极进行隔离。铜电极从一个与分压器并联的独立控制分压器那里获得电势。控制分压器同时带有电容,以保护高精度分压器不受开关时的瞬时过载的损害。此外,分压器还由钢制容器封装,内充压缩SF64。这个法拉第笼也可以使分压器免于外部的射频噪声干扰,维持系统内部温度环境。MT100与NMIA分压器的对比显示出偏差小于2ppm [17]。遵循着MT100的设计原理,明斯特大学与PTB合作又开发了两个分压器。第一个分压器电压高达35KV [18](下文中用K35表示)。第二个电压可达65KV(下文中用K65表示),K65相比K35拥有更高的电压、更高的精度和更好的长期稳定性。下文将详细介绍K65。这款分压器在KATRIN实验中可以精确测量波谱仪的减速电势(-18.6kV),并且保证五年的时间内,精度在所需的3ppm每两个月的范围内[1]。K35和K65同时也用于校准CERN[8]的ISOLDE设备的加速电压。


2 K65 分压器的设计


在KATRIN实验中,所需检测的电压为-18.6KV。因为通常使用的参考电压源的输出都是10V,并且所使用的万用表(Agilent 3458A 和 Fluke 8508A)在10V(Agilent 3458A)到20V(Fluke 8508A)的范围内拥有最佳的性能,最佳的分压比大约在M=2000:1。对于K35 [18]来说,最终选择的电阻是来自威世集团的Bulk Metal Foil®箔电阻(VHA518-11) [19],这款电阻拥有最佳长期稳定性和最低温度系数,最高阻值为1.84MΩ。为了达到100μA的电流,-18.6KV电压,最终选用了100个这种电阻组成高压电阻链来达到186MΩ的阻值。与低阻电阻RLV=93KΩ相结合,可获得分压比5 M=1972:1。K35已经可以满足KATRIN实验的需求,但是依然有提升空间。K65的最大进步在于使用了更加精密的电阻,这种电阻具有极低的温度系数和极好的长期稳定性,并且我们还将具有正、负温度系数的电阻进行匹配(第3部分)。这种新研制的电阻最高阻值为880KΩ。要达到与K35接近的阻值,需要更多数量的电阻,从而获得了第二个优点,那就是每个电阻在相同的−18.6kV总电压下都具有了更低的热负载。更多的电阻数量和更大的钢制容器又带来了另外一个特点:K65的最大操作电压上升到了65KV,可应用的领域也随之扩展了。例如:对ISOLDE设施[8]的进一步校准。第三,分压器内部的热能分配也得到了进一步的提升(第4部分)。


我们决定使用165个880KΩ的电阻。理论上更多的电阻将会使整体明显变复杂并且尺寸也变得更大。这165个电阻是从194个电阻中筛选出来的,以获得最小的温度系数。-18.6KV的电压下每个电阻的负载由19mW(K35)降到了14mW。选中的电阻包含低压部分电阻RLV总阻值约147MΩ。电阻按电阻对或小组排列,排列方式为正温度系数的电阻与负温度系数的电阻相邻,绝对阻值相同。这样可以保证两个电阻的环境温度相同,且温飘相抵,接近于零,如第3部分所示。连在高压电阻链后面的是低压电阻部分,由同一型号的低阻值电阻组成,提供不同的低压输出(图2)。相应的标称分压比为3636:1, 1818:1, 566:1和100:1,精确的值由PTB(见第6部分)和德国明斯克大学核物理研究所测定。用于KATRIN实验的分压比为1818:1。测量电压高于|U| =36kV时使用3636:1的分压比,因为高精密万用表(Fluke 8508A)的精密测试范围最高为20V。此外,电压11KV时也可使用566:1的分压比进行高分辨率测量。100:1的分压比对校准应用很关键,因为通常使用的参考分压器Fluke 752A能够测量1KV的电压,精度0.5ppm [11]。



图2. K65分压器等效电路。分压器低电压部分的细节在右下角展示。内置的纹波探针以及附加电阻器RCD,LV2在左下角显示,相应阻值在左上角显示。


在K65的高压电阻链中,电阻被分为五个部分,每个部分33个电阻,用铜电极分隔,这也形成了一个驱动保护(见图3)。高精密电阻呈螺旋安装,相邻部分的电阻方向相反(见图3)以减小电阻链电感。所有电阻安装于镀镍黄铜板安装架上。这些安装架固定于PTFE材料的支架上,可以保证高绝缘性。铜电极被固定于POM6(见图3)材料的安装架上。


第二个阻容分压器链与高精密分压器链并联。这个分压器一方面是驱动保护的控制分压器,另一方面电容链也可以保护高精密分压器不受瞬间过载的损害。同时也可以对施加的高电压进行一个低精度监控,作为一个内置的波纹探针(见第5部分)。图2为K65的等效电路图。


整个系统用一个不锈钢容器封装,这个容器也可看作一个法拉第电笼,减小外部的射频信号干扰。不仅如此,密封的不锈钢容器也填充了干燥的氮气,内部气压稍大于大气压70mbar,这样可以使温度保持稳定,并且避免湿度所导致的漏电流。


图3. 高压分压器CAD图以及高压电阻部分的细节图。左边的图片显示了无外壳的分压器。上面的五个部分包含了165个精密电阻,最下面的部分包含了低压电阻,这些电阻可以保证分压器具有不同的分压比。中间负责加热/冷却的PMMA管用灰色表示。右图表示一个高压部分的细节图。每个部分都包含有以下组件:①33个精密电阻,②一个高压电容,③控制分压器的三个高压电阻,④精密电阻链的绝缘连通部分,⑤镀镍黄铜安装架,⑥POM支架,⑦铜电极,⑧PTFE支架。


用水循环加热/降温系统稳定温度。因此分压器可以不受加热-冷却系统中的电气部件的耦合影响,避免外部装置可能产生的噪声。高压分压器壳体外最主要的元件是热电冷却/加热器,具备热交换器和水泵。壳体内部第二个热交换器传导着水和干燥氮气环境的温度。风扇将氮气通过PMMA管管壁的小孔传送到电阻周围。小孔的设计是根据分压器内部热分布情况做过优化的(见第4部分)。系统的控制由PID8控制器完成,控制器由LabView软件操作。壳体内部的湿度由湿度计检测。如果湿度大于30%,就更换氮气。湿度传感器同时也可探测水循环系统有无泄漏,因为一旦发生泄漏的话,内部相对湿度会急剧增加。


3 电阻的选择


电阻科技


K65分压器中使用的电阻和K35中的是同一系列,但K65中的电阻是改进版。这项改进来源于同明斯克大学和威世集团的密切合作。威世的“全密封高精密Bulk Metal Foil®箔电阻” 由几枚片状的电阻元素安装在镀锡黄铜圆柱中组成,其中注满了油达到更好的散热效果。电阻元素由陶瓷基板和刻有蛇形电流路径的金属箔组成,两者用特殊的粘接剂粘接。由于两种材料具有不同的热膨胀系数,由于温度变化产生的机械变形会作用于金属箔,这种作用是我们需要的。通过设计,电阻元素由于温度产生的形变可以被控制,因此温度系数(TCR)的正负也可以在制造过程中知晓。明斯克大学在这次合作中的任务则是明确威世制造的高精度电阻的具体参数。目的在于将正温度系数和负温度系数的电阻结合起来使用以抵消温度影响,使整体温度系数接近于零,而且要确知其正负号。需要知道的是,这种补偿是在给定的温度下进行的,温度为25℃。这种新的生产过程制造出来的超低温飘电阻阻值最高做到880KΩ。这一点刚好切合了我们想要使用更多电阻的想法。新的VHA518-11电阻被要求生产成带有微小正温度系数和微小负温度系数的形式。电阻的负载寿命稳定性与额定功率和环境温度有关,为了提升负载寿命稳定性(长期稳定性),这些电阻经历了威世的特殊处理(“提前老化”)。由于电阻的负载寿命稳定性与时间有关,提前老化可以加速阻值的稳定。

图4.用来测量WUD的分压器电路图。测量过程中分压器被放置于恒温箱中(25.0±0.1℃)


选择过程


为了明确阻值跟随温度的相对变化。我们可以选择不同的方法。可以在恒定电压下改变电阻的温度测量电阻的温度系数。或者可以通过测量施加某电压后的一段时间内,电阻阻值的改变量,确定其热漂移情况(Warm-up drift WUD),与此同时环境温度保持恒定。这两种方法测量的电阻RUT将与参考电阻Rref串联连接,构成一个简单的分压电路(见图4)。我们使用阻值为Rref =36.8kΩ的参考电阻,其热负载可忽略不计。为了保证测量结果不受测量精度的限制,这款电阻也选用威世的Bulk Metal Foil®箔电阻。


对这组有代表性的电阻做过研究之后,我们发现WUD与TCR之间有着很强的相关性。由于WUD实验更易于操作,所以我们用这种方法来选择KATRIN分压器中的电阻[18, 20]。这种方法还有一个好处是,测试电阻时所使用的测试条件与真实操作情况下的条件相同。真实操作过程中,电阻周围的温度是恒定的,温度梯度由电阻内部延伸到外部。这种温度梯度受到电阻功率耗散情况与电阻内部所注密封油的热传导效率的影响。



这个根据时间变化而产生的变化即为WUD系数αWUD(见图5).WUD系数由最后15分钟时在数据中拟合一个常数而决定。测量仪器的短期波动无法确切得知,因为制造商往往提供8或24小时的长期漂移。因此为了确定其短期的波动,我们通过对拟合的常数设定一个简化的卡方(χ2)对测量的不确定度做一个让步,阻值相对变化的不确定度为0.05ppm(见图5中的误差条形图)。电阻选型的结果在图6中显示。这幅图也证明了威世的确为我们提供了正负两种温度系数的电阻。


图5. Uin = 255.2V电压下名为M5300和 M5342的电阻的热漂移αWUD情况。


三角形图例代表两个电阻串联后,两端电压为Uin = 510.4V时的残余热漂移αWUD。红线表示最后15分钟的数据拟合的常数。图例表示了拟合常数及其统计学不确定度。


图6. K65分压器165个电阻的筛选结果。这些电阻中具有正αWUD的与具有负αWUD的数量相同。所有电阻的αWUD相加低至-0.46ppm,相当于每个电阻-0.003ppm。


4 热分布优化


为了找出热能设计中可能的提升点,我们使用EFDLab对分压器内部的温度分布进行了模拟[20]。参照我们从模拟中得到的理想参数,我们对温度调节系统和内部的分布管进行了优化。相比于K35,K65散热设计的不同之处在于顶部铜电极开了四个小孔以提高氮气流通到密封容器顶部的效率,同时在低电压部分,电阻受到加热后的氮气的影响也减小了。


为了验证模拟结果,我们建立了一个与最终的机械结构相同的结构,不同的是我们使用了2.2KΩ 1/4W的普通电阻。这样我们就可以在低压下模拟真实高压情况下所产生的热量了。我们可以施加2KV的电压来模拟40KV电压下产生的热量。这种低电压环境也使我们得以在分压器的每个部分安装温度传感器(PT100)。分压器的不同部分一共安装了八个传感器(低电压部分两个,顶端一个,顶部中部和底部各一个,一个在顶端电极上方,一个在热交换器下方)


给分压器施加了2KV电压之后,低压部分的温度降低了0.6K。导致这种情况发生的原因是PMMA管上的孔分布不理想。高压部分电阻耗散高,产生高温,低压部分电阻耗散低,温度低,于是产生了温差。热分布由一根新的管子提升。管子在高压处的每个部分都开有36个孔,直径5mm,低压部分有12个孔,直径2mm。加了新的管子之后温差降低到0.2K以下(图7)。这样的温度是可以接受的,因为低压部分电阻具有优秀的匹配温飘。

图7. 加装了最终的PMMA管之后分压器内部温度的相对变化。图表展示了分压器内五个温度传感器的读数,其间电压(蓝线表示)从1KV调至2KV随后调回0KV。测试过程中随着PID变化的温度传感器在底端。最后十分钟所有传感器的值都被调到他们的平均值。小于0.2K的温差得益于对PMMA管的全新设计。


5 内置的波纹探针


K65分压器的另一个特点是它具有一个内置的波纹探针。它可以用来检测直流高压噪声,65KV的直流高压下也可以达到ppm级精度的测量。理想情况下,波纹探针是一个由电容(C)和电阻(R)串联组成的高通滤波器。对于频率高于截止频率( fc = 2π1 RC)的情况,这种探针的分压比为1。K65使用控制分压器作为波纹探针,结果是低频时分压比由控制分压器的电阻部分决定(“低精度HV分压器”),高频时分压比由电容部分(“容性分压器”)决定。这种容性分压器使得高频时的分压比为6而不是1。用波纹探针测量时,两个附加电阻(RCD,LV2 = 500kΩ, 见图2)可以被切换到低压链,将截止频率降至大约60Hz。这可以检测线频率(50-60Hz)下的噪声。


图8显示了内置波纹探针的频率响应特性和相位差。3V RMS的交流电压由Fluke 5720A校准器提供,输出电压由National Instruments PXI 5922 digitizer测量。频率从10Hz变化到400Hz。


为了简明地描述高压和低压环境下的波纹探针,我们使用两个公式来表达,电阻部分和电容部分各一个:

6 在PTB的校准


KATRIN实验的两个分压器的校准工作在不伦瑞克PTB高压计量实验室(工作组2.32)进行了。所有的测试与MT100进行对比,MT100 [16]是PTB的标准分压器,也是世界上最精密最稳定的高压分压器之一[17]。每次测试都测试正负两个极性,在这一部分中的不确定度单位都为标准偏差σ。如文中[18]所说的,分压比为1818:1 和 3636:1的KATRIN分压器系统性不确定度为2ppm(k=2)。100:1分压比的校准是在1KV电压下直接通过Fluke 752A 进行的。由于这是基于数字万用表的传递不确定度,因此其系统性不确定性为1.2ppm(k=2)(见表1)。



图8.比例因子的测量(蓝点)和内置波纹探针的频率响应相位(红点),其中附加电阻RCD,LV2切换到了低电压区。数据点的拟合用虚线表示。


表1. 分压比100:1,电压1KV时的不确定性总结。不确定性都是在对应的条件下得到的。Fluke 752A参考分压器的不确定度呈正态分布,包含因子k=3。两个数字万用表相关不确定度选择的是超过24h的不确定度。这在Agilent 3458A的使用手册中有提到过,呈一个矩形分布,Fluke 8508A呈一个正态分布,覆盖因子k=2.



校准阶段2009


K65的第一次校准是在2009年8月至12月,PTB。这一阶段测试了分压比,电压系数和温度系数。尽管分压器提供了额外的566:1分压比,但这一分压比没有被测定。确定的参数在表2中显示。


表2. 2009年于PTB做的校准阶段总结。下列表中的是在给定校准电压下确定的分压比、它们的相对标准偏差以及校准不确定度。测试用电压为正负两极。测试了分压比1818:1的温度相关性,发现了所有分压比下的温度稳定性相同。线性电压相关性给出的是1818:1和 3636:1的平均值。



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